一種新型懸臂式掘進機側(cè)支承的設(shè)計

李洪亮

(三一重型裝備有限公司， 遼寧 沈陽 110027)

0 引言

掘進機進行掘進作業(yè)時，經(jīng)常出現(xiàn)機尾左右擺動的現(xiàn)象，發(fā)生此現(xiàn)象的原因是截割頭上的截割反力相對重心的扭矩大于設(shè)備本身重力相對重心在地面上的扭矩[1]，增加側(cè)支承后，強行將掘進機的轉(zhuǎn)動中心從重心位置向后移動到后支承位置，改變了整機的受力狀態(tài)，從而達到防止掘進機擺尾的目的。

1 扭矩計算

掘進機出現(xiàn)擺尾現(xiàn)象時掘進機基本處于水平截割的狀態(tài)，截割臂水平進給是由回轉(zhuǎn)油缸的運動實現(xiàn)的，在截割臂水平進給時，一個油缸伸長，另一個油缸縮短，如圖1所示，2個油缸同時作用[2-3]。2個油缸提供的進給力矩與油缸力關(guān)系如公式(1)所示。

(1)

式中：Ma為油缸提供的總進給力矩，N·m；N1為有伸長趨勢的油缸提供的推力，N；N2為有收縮趨勢的油缸提供的拉力，N；a為回轉(zhuǎn)中心到回轉(zhuǎn)油缸前鉸點距離，mm；b為伸長油缸的長度，mm；c為回轉(zhuǎn)中心到回轉(zhuǎn)油缸后鉸點距離，mm；e為收縮油缸的長度，mm。

其中，伸展油缸的長度b與收縮油缸長度e的關(guān)系如公式(2)所示。

(2)

式中:M為回轉(zhuǎn)臺上2個油缸前鉸點與回轉(zhuǎn)中心連線的夾角，(°)；N為回轉(zhuǎn)臺上2個油缸后鉸點與回轉(zhuǎn)中心連線的夾角，(°)；

以某型號掘進機為例，將a=808 mm，c=1 908 mm，b和e的長度范圍為1 485～2 014 mm，N1=582.3 kN，N2=366.7 kN，在Matlab中畫出進給力矩曲線圖，從圖2上可以看出，隨著回轉(zhuǎn)油缸的伸縮，進給力矩不斷變化，最大值為760 kN·m。姿態(tài)為截割臂擺到中間位置，截割頭到回轉(zhuǎn)中心的距離為4 700 mm，得到進給力為161.7 kN。當截割臂有俯仰角時，此力會變大，示例掘進機俯仰角變化小，因此不再考慮[4]。

圖2 油缸長度與回轉(zhuǎn)力矩曲線

2 側(cè)支承結(jié)構(gòu)

這里提出一種新的掘進機側(cè)支承結(jié)構(gòu)，不同于傳統(tǒng)的油缸+套筒式側(cè)支承，此側(cè)支承為油缸+支承體式，此結(jié)構(gòu)特點是簡潔，易維護制造，不占用掘進機內(nèi)部空間，具體結(jié)構(gòu)見圖3。其中側(cè)面安裝座安裝于后支承部的側(cè)面，頂部安裝座安裝于后支撐部頂部，過渡塊是為保護油缸的，使油缸上只有軸向載荷。

側(cè)支承結(jié)構(gòu)安裝于掘進機上后，動作油缸來實現(xiàn)支承體的擺動，安裝后整機形態(tài)如圖4、圖5所示。

1-支承油缸; 2-支承體; 3-銷軸; 4-側(cè)面安裝座;5-頂部安裝座; 6-過渡塊。

圖4 側(cè)支承開合示意圖

圖5 安裝有側(cè)支承的掘進機

3 側(cè)支承力的計算

增加側(cè)支承后，掘進機整機的受力狀態(tài)發(fā)生改變，受力分析如圖6所示[5]。

圖6 側(cè)支承受力分析簡圖

由圖6可以得到公式(3)和(4)：

F1(L1+L2)+F2·L2=0

(3)

F1·L1+F3·L2=0

(4)

式中:L1為截割頭中心距離整機重心的距離，mm；L2為后支承支承點距離重心距離，mm；F1為巖石對截割頭的作用力，kN；F2為地面與履帶間的附著力，kN；F3為巖石對側(cè)支承的作用力，kN。

示例掘進機中，若L1=5 327 mm，L2=2 894 mm，F(xiàn)1=161.7 kN，則F2=459.3 kN，F(xiàn)3=297.6 kN，F(xiàn)2為地面與履帶間的附著力，取0.7的附著系數(shù)，則整機需要不低于67 t(本文中提到的掘進機重70 t)，否則無法提供足夠的附著力,導(dǎo)致整機側(cè)移[6]。

由此，當F3=297.6 kN時，可以保證掘進機不再出現(xiàn)擺尾狀態(tài)?？扇∮透字睆綖?40 mm，銷軸直徑80 mm。

4 強度校核

強度校核在ANSYS WORKBENCH環(huán)境下進行，首先將模型進行簡化，由于模型左右結(jié)構(gòu)類似，只對一側(cè)進行校核，之后將銷軸與銷孔間的接觸方式更改為frictionless[7-8]，將固定約束施加于側(cè)面安裝座和底面安裝座的安裝面上，并在支承體的支承面上施加300 kN的力，如圖7所示。

圖7 約束及載荷施加

分析并得到變形云圖如圖8所示，由應(yīng)變云圖可知，最大位移發(fā)生在支承體中間位置，位移量為3.92 mm，板厚為30 mm(可適當增厚)。

圖8 變形云圖

圖9 應(yīng)力云圖

分析并得到應(yīng)力云圖如圖9所示，由應(yīng)力云圖可知，整個結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為267.51 MPa，Q345材料可滿足使用要求。

5 結(jié)論

經(jīng)過以上設(shè)計及校核過程，此側(cè)支承結(jié)構(gòu)可防止掘進機在掘進作業(yè)中的機尾擺動現(xiàn)象，且結(jié)構(gòu)簡單易于維護，具有一定的推廣價值。